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烟台大学分布式温室环境监测及控制系统

专家
2014-03-10 23:25:39    评分

作者:烟台大学计算机学院 张智强 孔旭 王硕

指导教师:赵金东 张雅静


  作品简介

  图1 整体实物图

  一、开发背景

  科技的发展和普及给我们的生活带来了巨大的变化,也改变了千年的农耕方式,机械化作业带来了产量的巨大提升。微电子的发展则使农业更加的智能可控。有效的避免自然灾害给农业带来的损失,而且可以通过自动控制使农作物在恶劣的环境下提升产量。

  本系统是通过对温室内的空气温湿度以及土壤的温湿度的实时监测,合理的调节风扇,喷淋灌溉阀门和电动控制电动卷帘机构来使温室内的环境最有利于农作物的生长。并且可以远程的传递数据和命令信息,还可以把数据进行储存起来,供以后的分析。

  二、结构说明

  本系统构成了一个闭环的分布式温室环境监测与控制系统,由一个中央控制显示单元、五个zigbee节点、太阳能电源模块以及手机短信模块组成。中央控制显示单元进行数据的处理、分析,发布命令,由其他模块负责执行并反馈执行状况。图2为本系统的简易工作流程图:

  图2 系统工作流程图

  三、 功能及使用说明

  本系统实现了“分布式温室环境检测与控制系统”要求的所有基本功能:

  1、实现了对温室当中不同位置的采样点的数据采集,可以对温室当中空气和土壤的温湿度等进行监控和记录。

  2、可以根据用户所设置的环境参数要求进行相应温室内相关区域的温湿度调节。

  3、采样点可以通过无线方式与中央控制显示单元进行通讯。

  4、采用太阳能电池板给系统供电,并能24小时连续工作。光照不足条件下蓄电池可以为系统供电72小时以上。

  5、中央控制显示单元能够连续记录至少1,000,000个数据采样点,并在意外掉电24小时之内能够保持这些数据。

  6、所采样的数据可以通过有线的方式下载到计算机当中进行显示和简单的数据分析,数据能够通过LCD进行显示。

  7、中央控制显示单元能够通过无线zigbee网络,将命令传递到对应终端节点,控制不少于16台风扇,16个喷淋灌溉阀门和16个电动控制电动卷帘机构,以220V灯泡代表相应的执行机构 。

  8、中央控制显示单元能够接收手机短信方式对系统参数设置进行修改,或者直接控制对应的执行机构,并通过短信反馈修改或执行的结果。

  9、zigbee节点电池电量不足时,可通过LCD报警显示,通知工作人员及时更换电池。

  图3 4*5矩阵键盘

  按键说明:

  *:设定阈值功能键 F:发送命令功能 E:确定功能键

  FUN:显示阈值界面按键 +:打开执行部件 -:关闭执行部件

  A,B,C,D:分别代表区域一,区域二,区域三,区域四

  使用方法:

  1、首先选择功能键,进行相应的功能选择。

  2、选择需要控制的区域通过ABCD键。

  3、进行更改阈值或发送控制命令。

  三、 作品特色

  1、本系统利用了无线zigbee网络技术,该技术具有功耗低、成本低、网络容量大、时延短、安全等优点,很大程度上促进了该系统的优化,避免了传统的布线带来的不便。

  2、利用太阳能给系统供电,太阳能为可再生能源,环保经济。并且,该系统所设计的太阳能模块具有夜晚自动断电、白天为系统供电而且为蓄电池充电的功能,具有掉电保护电路,使系统工作更加安全、高效、人性化。

  3、显示界面设计美观大方、分辨率高,便于用户迅速理解全局温室环境态势,判断触警位置,快速制定解决方案。

  4、源代码结构简单、执行效率高,系统操作简便,控制命令执行安全、高效。


  平台选型说明

  设计本系统所采用的开发平台有如下几种:

  ARM飞思卡尔K10 开发板+codewarrior 10.4软件开发环境

  CC2530开发板+IAR For51软件开发环境

  STC89C52微控制器+Keil uVision3软件开发环境

  FreesScale Kinetis 10系列芯片是飞思卡尔公司于2010年下半年推出,基于ARM Cortex-M4 内核的微控制器,是业内首款ARM Cortex-M4 内核芯片。Kinetis系列微控制器基于飞思卡尔创新的90纳米薄膜存储器(TFS)闪存技术具有独特的Flex存储器(可配置的内嵌EEPROM)。Kinetis 微控制器系列

  融合了最新的低功耗革新技术,具有高性能、高精度的混合信号能力,宽广的互连性,人机接口和安全外设。

  CC2530 是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 应用的一个真正的片上系统(SoC)解决方案。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。CC2530 结合了领先的RF 收发器的优良性能,业界标准的增强型8051 CPU,系统内可编程闪存,8-KB RAM 和许多其它强大的功能。CC2530 具有不同的运行模式,使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。CC2530F256 结合了德州仪器的业界领先的黄金单元ZigBee 协议栈(Z-Stack™),提供了一个强大和完整的ZigBee 解决方案。

  STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有 8K 在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核,但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上,拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash,使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。


  设计说明

  一、 设计系统概况

  本系统为一个闭环的控制系统,具体实现思路如下:

  温室传感器(土壤温湿度传感器、空气温湿度传感器)进行信息的采集,透过zigbee的无线网络进行信息的传递,k10处理器把接受到的信息按预先设定程序进行分析处理,产生命令再通过无线zigbee网络下发到对应节点,与节点所连的执行部件根据收到的命令做出相应的动作。与此同时,终端节点将收到执行命令的信息反馈给中央处理器,使其能够“得知”控制命令的有效执行,若一定时间内未收到反馈信息,重发控制命令。LCD显示屏同样受K10处理器的控制,按照特定的格式实时显示采集到的多种信息,把接收到的信息写入SD卡,可以下载到计算机当中进行显示和简单的数据分析。

  二、 各模块设计

  1、中央控制显示单元模块:本模块为系统核心模块,由K10开发板、4*5矩阵键盘、LCD显示屏、zigbee协调器组成。以大赛组委会提供的ARM飞思卡尔K10 开发板为中心,实时处理、存储协调器的数据(可以存储10000000个数据采样点),并能实时通过LCD显示。该系统是通过手动设置温湿度阈值,4*5矩阵键盘记录键入的命令,传递给中央控制器,处理器自动按照人为意愿控制执行部件(以220V灯泡代表),维持温室环境状况稳定。此外,也可以手动即时按动按钮,控制执行部件。

  图4 中央控制显示单元

  2、zigbee无线传输模块:本模块由四个终端节点(位于温室当中不同位置的四个采样点)、对应每个节点的执行部件组成,可自由扩展终端节点数量,最多可连接254个。终端节点负责通过传感器采集数据(空气温湿度、土壤温湿度等),并通过无线zigbee网络传给协调器,协调器与终端节点之间可实现空间200米无线通信。协调器与中央控制显示单元通过串口相连,传输数据。

  图5、图6为终端节点的实物图:实时采集环境信息无线传送给协调器,并且可以接受中央控制显示单元的命令,通过继电器控制执行部件(220V灯泡模拟)。

  图6 终端节点、执行部件响应图

  3、太阳能电池模块:本模块由太阳能电池板、稳压电路、升压电路、掉电保护电路以及蓄电池和控制芯片组成,是一种以环保能源光能为动力来源,具有自动判断太阳光线强弱,通过MCU控制硅光电池板自动向阳的一种

  装置。太阳能电池板可以在一天中跟随太阳转动180度,以采集最大光能和热能。除了自动寻找当前环境光线最强的角度,保证最高的充电效率外,当在环境光线过暗电力“入不敷出”时,光控模块会自动切断总电源,进入系统休眠阶段,晚上自动断电,由蓄电池给系统供电。太阳能电池板可以在白天有阳光的时候把光能转化为电能,通过稳压电路稳出5V电压,供给系统中央处理器,同时可以通过升压电路给蓄电池充电,无光照情况下蓄电池可为系统供电72小时以上。

  蓄电池也可以通过家用电源充电。

  图9 太阳能各部件关联图

  一、 器件选型

  ◎各类传感器

  传感器主要是实现对温室内的环境信息采集与信号处理,包括空气温湿度传感器、土壤湿度传感器、土壤温度传感器、光线传感器等。

  图11 YL-69土壤湿度传感器

  土壤传感器YL-69做土壤湿度的检测,表面采用镀镍处理,有加宽的感应面积,可以提高导电性能,防止接触土壤容易生锈的问题,延长使用寿命。

  DHT11空气温湿度传感器,以及土壤湿度传感器YL-69和土壤温度传感器,可以实时的采集数据并且通过Zigbee协议发往控制中心,每一个终端节点有三个传感器采集数据,一共有四个节点。传感器可以实现最小间隔为1ms的数据采集,最大不超过10分钟,每采集一组数据就像控制中心传送一次。

  ◎无线通信模块

  &本系统所采用的无线技术为zigbee技术:

  ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协议。ZigBee协议从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE 802.15.4标准的规定。

  ZigBee网络自身的技术优势有低功耗、低成本、支持大量节点、支持多种网络拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。ZigBee网络中设备的可分为协调器(Coordinator)、汇聚节点(Router)、终端节点(EndDevice)等三种角色与此同时,中国物联网校企联盟认为:zigbee作为一种短距离无线通信技术,由于其网络可以便捷的为用户提供无线数据传输功能,因此在物联网领域具有非常强的可应用性。

  Zigbee 并不是用来与蓝牙或者其他已经存在的标准竞争,它的目标定位于现存的系统还不能满足其需求的特定的市场,它有着广阔的应用前景。其应用领域主要包括:◆家庭和楼宇网络:空调系统的温度控制、照明的自动控制、窗帘的自动控制、煤气计量控制、家用电器的远程控制等; ◆工业控制:各种监控器、传感器的自动化控制;◆商业:智慧型标签等;◆公共场所:烟雾探测器等;◆农业控制:收集各种土壤信息和气候信息;◆医疗:老人与行动不便者的紧急呼叫器和医疗传感器等。

  &本系统所采用的zigbee芯片为CC2530:

  CC2530 是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 应用的一个真正的片上系统解决方案,它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。降低成本、安全可靠,促使该设计能够更完美的应用到农业领域当中。

  本系统的五个zigbee节点模块实现了无线通信,其中四个作为终端节点使用,分布在温室中四个不同的位置。另一个作为协调器位于中央控制显示单元,通过串口与K10主控板相连,传递数据、下发命令。

  本系统采用的是TI公司的cc2530芯片和ZSTACK协议,使用IAR for51开发环境。由于节点的耗电量很低,我们用一般的电池来供电,可以在较长的时间内不更换电池。芯片同时拥有电池电量检测的功能,在电池电量不足的时候通过LCD报警显示,通知工作人员及时的更换电源。

  ◎电源部件

  本系统采用太阳能光伏发电技术,光伏发电是根据光生伏打效应原理,利用太阳电池将太阳光能直接转化为电能。不论是独立使用还是并网发电,光伏发电系统主要由太阳电池板(组件)、控制器和逆变器三大部分组成,它们主要由电子元器件构成,不涉及机械部件,所以,光伏发电设备极为精炼,可靠稳定寿命长、安装维护简便。

  18*18太阳能电池板直接将太阳能转化为电能,输出到5V稳压电路为系统供电。与此同时,输出到12V升压电路为蓄电池充电。白天太阳能电池板可在直流电机的带动下,随太阳转动,以采集最大光热能量。夜晚通过与光敏传感器所连电路,切断太阳能电池模块总电源,减小功耗,由蓄电池为系统供电。

  图14、图15为本系统所采用的太阳能光伏电池板的实物图:




关键词: zigbee     太阳能     传感器     控制系统    

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